电磁场Ansoft软件应用作业.doc

Ansoft软件应用作业 ——静电场中同轴电缆的仿真 研究题目： 单心电缆有两层绝缘体，分界面为同轴圆柱面。 已知R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm,内导体为copper，外导体为lead，中间的介质ε1＝5ε0, ε2＝3ε0, ,内导体U=100V，外导体为0V求：1用解析法计算电位，电场强度，电位移随半径的变化，计算单位长度电容和电场能量。2用ansfot软件计算上述物理量随半径的变化曲线，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量 一、用解析法计算电位，电场强度，电位移随半径的变化以及单位长度电容和电场能量 解： 设同轴电缆内、外层导体分别带电+、-。 由高斯定理：在介质中 L 所以D= 所以 代入E1，E2 代入具体数值，得到E1 =，E2 = 由=可得电位1 =268.1-73 ln ，2 =414.1-121.8 ln 电场能量：W==1.0155×10-6 J/m D===(单位为m) C=203.1pF 二、同轴电缆模型的建立 绘制过程： 分别作出半径R1=10mm,R2=20mm,R3=30mm,R4=31mm的四个圆 过程：利用DRAW CIRCLE通过确定两点来画圆。 最后得到一组同心圆 这组同心圆有重叠部分，因此选中大圆时可以看到内部的圆的颜色会加深。且大圆选中越多，内部颜色越深。 填充颜色后 利用布尔运算进行相减（subtract）得到介质层、外导体壳及内导体。 从外层至内层选择相邻的两个圆（可以按住ctrl后用鼠标点击两个待选定的圆）。利用布尔运算里的切除（subtract）选项得到圆环。 依次重复上述步骤，得到外层导体壳、内部的两层介质以及内部导体。 效果如下： 进行材料填充。内外导体利用已有材料进行填充。中间两层介质利用“添加材料（ADD）”功能自行设定材料属性，如下图。 内导体、外导体分别设为已有材料copper和lead 中间的介质采用自定义材料，需要对相对介电常数进行设定。 4.设定激励源。外导体、内导体分别指定100V、0V的电压作为激励。 三、电位，电场强度，电位移分布 同轴电缆模型建立完后，需要进行如下操作： 1.进行求解器的设置 2.对绘制的物体全选（Ctrl+A）后,进行分析。 3.对物体进行全部选择（Ctrl+A）后，就可以观察场的分布情况： 4.场量的大小随着半径变化曲线的绘制 绘制变化曲线需要引入一条辅助线 如上图，利用DRAW LINE功能绘制一条半径作为辅助线。上图中白色的线段就是辅助线。最后利用生成报告的方式得到变化曲线。如下图。 在这个对话框下，“几何”选项可以选择场量沿着哪一条线变化，即选择辅助线。“数量”选项选择需要研究那种量随着特定路线的变化情况。点击New Report就可以生成所需要的曲线。 电位，电场强度，电位移分布： 1.电场强度分布（标量）： 电场强度随半径的变化曲线： 解析法得到场强计算公式：E1 =，E2 = 公式与ansoft仿真得到的曲线符合。 2.电位移分布（标量）： 电位移随半径的变化曲线： 解析法得到D=(单位为m) 与上图曲线符合 3.电位分布： 电位随半径的变化曲线： 解析法计算结果：1 =268.1-73ln ，2 =414.1-121.8 ln 经检验，计算结果符合ansoft得到的曲线。 四、电场能量的计算 利用场计算器计算： 具体过程：打开场计算器（Fields Calculator）——点击数量（Quantity）——选择Energy——点击几何（Geometry）——选择体积（Volume）——选择AllObjectsPlusground——点击积分符号——点击Eval 计算得电场能量为1.016×10-6J/m 解析法得到的电场能量： W==1.0155×10-6 J/m 二者近似相等。